朱頭山
無意邀眾賞，一心追殘陽
儲能的核心是實現能量在時間和空間上的移動，本質上是讓能量更加可控。我們 把各種發電方式的本質歸一化，可以發現：火電、核電、生物質發電天然就有相 應的介質進行能量的存儲，並且介質適宜進行貯存和運輸，即本身就配置了儲能 功能。而對於水力發電、風力發電、光熱發電、光伏發電而言，發電借助的來源 是瞬時的、不可貯存和轉運的。相應地，如果我們想讓這些能源更加可控，必須 人為的添加儲能裝置。可以理解為，儲能裝置的添加，會使得水力、風力、光伏、 光熱成為更理想的發電形式。
發電側與電網側一直承擔著讓能量更可控的任務，儲能將作為一種方式提供靈活 性資源。在抽水蓄能大建設、新型儲能興起之前，電網的靈活性資源更多的需要 火電提供。而目前，在一個優質的電網存在的情況下，係統的靈活性調節資源是 由抽水蓄能、新型儲能、火電等共同提供的。此時，建設抽水蓄能和新型儲能的 節奏，要評估兩個方麵：（1）從經濟性維度上，建設抽水蓄能、建設新型儲能 與進行火電靈活性改造何者最優；（2）從需求量維度上，火電靈活性改造存在 存量機組數量約束、抽水蓄能存在地理資源約束，這兩大約束會在什麽時間點成 為掣肘因素。
儲能可以讓分布式光伏發電更“優質”，使其有成為家庭用電主力的可能。儲能 的應用使得用戶側“自發自用”成為了可能，在一個更多偏向於盈利屬性的電網 環境下，儲能加持下的分布式光伏發電更加“優質”。此時，分布式光儲的推進 核心變成了經濟性考量：光儲發電的成本與從電網買電的價格孰高孰低。在沒有可靠電力保障的情況下，儲能是正常生活的剛需。儲能裝置儲存的是能量， 而充足的能源是保障生活正常進行的必要需求。而在戶外、偏遠地區，在有戰爭 可能的地區，在電網保障不足的地區，從生存與避險的角度講，配置儲能是最基 本的需求。此處儲能推進的核心是：正常家庭能否負擔得起一套儲能設備，或者 一套光儲係統。
儲能技術特點及降本情況各不相同，根據應用場景的不同，長時儲能技術將呈現 多線並舉的格局。概括而言，長時儲能技術可分為機械儲能、儲熱和化學儲能三 大主線。其中，機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能；儲熱主要為熔鹽儲熱；化學儲能包括鋰離子電池儲能、鈉離子電池儲能以及液流電池儲能。
2.1、抽水蓄能：當前最成熟、度電成本最低的儲能技術
2.1.1、原理：依靠水的重力勢能作為介質儲能
抽水蓄能仍然是當前最成熟、裝機最多的主流儲能技術。抽水蓄能是機械儲能的 一種：在電力負荷低穀期將水從下池水庫抽到上池水庫時將電能轉化成重力勢能 儲存起來，在負荷高峰時利用反向水流發電，綜合效率在 70%到 85%之間。
2.1.2、優劣勢：儲能技術成熟，但選址受限、開發周期較長
優勢：當前最成熟的儲能技術，度電成本最低。根據《儲能技術全生命周期度電 成本分析》（文軍等，2021 年）中測算，在不考慮充電成本且折現率為 0 的情 況下，抽水蓄能僅有 0.207 元/kWh 的度電成本，在各種儲能技術中度電成本最 低。劣勢 1：地理資源約束明顯，遠期來看無法足量的滿足儲能需求。雖然抽水蓄能 不具有化學電池易老化和儲能容量限製的問題，但是它對於地理因素的要求較 高，一般來說隻能建造在山與丘陵存在的地方，上下水庫要求存在於較近的距離 內，並有著較高的高度差。並且在高度差不明顯的條件下，抽水蓄能電站所能達 到的能量密度相對有限。
劣勢 2：初始投資成本高、開發建設時間長，在風光建設超預期的時候，儲能資 源無法及時匹配。抽水蓄能電站的建造成本較高、開發周期約 7 年。根據《抽水 蓄能電站建設與運營模式思考》（孫曉新，2020 年）數據，一個 120 萬千瓦的 電站通常需要 60-80 億元的投資。根據《溧陽抽水蓄能電站工程設計變更與優化》 （李建軍等，2018 年）溧陽抽水蓄能電站建設周期約為 7 年，主體工程於 2011 年 4 月開工建設，2017 年 10 月 11 日最後第 6 台機組投產發電，工程全部竣工 投產。
2.2、壓縮空氣儲能：效率提升下，極具前景的大規模儲能技術
2.2.1、原理：依靠高壓氣體作為介質儲能
壓縮空氣儲能係統是一種能夠實現大容量、長時間電能儲蓄的電力儲能係統。通 過壓縮空氣存儲多餘的電能，在需要時，將高壓氣體釋放到膨脹機做功發電。傳 統壓縮空氣儲能技術原理脫胎於燃氣輪機，其工作流程為：壓縮、儲存、加熱、 膨脹、冷卻。當前壓縮空氣技術以中溫蓄熱式壓縮空氣儲能為主。中溫技術將壓縮空氣加熱到 200-300℃，溫度越高，轉換效率就越高，最新壓縮空氣儲能的電轉換效率可以 達到 60-70%。但高溫對壓縮機等設備材料的要求更高，當前產業化方向以中溫 為主。
2.2.2、優劣勢：已擺脫地理約束，但當前效率相對較低
優勢 1：隨著技術的進步，可以通過儲氣罐的形式存儲壓縮氣體，從而擺脫了地 理約束，可以大規模上量。傳統的壓縮空氣儲能需要借助特定的地理條件建造大 型儲氣室，如岩石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，從而大大限製了壓縮空氣儲能係統 的應用範圍。當前隨著技術的進步，可以通過建設大型儲氣罐來進行存儲。優勢 2：單位成本相對較低。設備成本占係統成本的大部分，存在著隨著大規模 應用快速降本的可能。劣勢：整個係統的效率相對來說仍在較低的水平。當前涉及運行的項目效率在 50%-70%之間，較成熟的抽水蓄能的 76%左右還有一定的差距，這一定程度上 影響了整個項目的經濟性。
2.3、鋰離子電池：優秀的中短時儲能技術同樣適用於部分長時場景
2.3.1、優劣勢：儲能技術較為成熟，但鋰資源約束明顯
優勢 1：鋰電池儲能是當前技術最為成熟、裝機規模最大的電化學儲能技術。根 據中關村儲能數據，2021 年鋰離子電池占中國新型儲能裝機量的 89.7%，是最 具代表性的新型儲能技術，目前廣泛應用於 1-2 小時的中短時儲能場景中，在 4-8 小時的儲能項目中也有應用。
劣勢 1：鋰離子電池提供功率與貯存能量的裝置綁定在一起，在不提升功率，僅 提升容量的情況下，電池成本等比例增加。即 4 小時儲能係統的電池成本是 1 小時儲能係統的 4 倍。而抽水蓄能、壓縮空氣、液流電池、熔融鹽等儲能方式， 均可以實現功率裝置和能量裝置的解耦，若單純增加儲能時間，僅需等比例配置 貯存能量的裝置即可。劣勢 2：隨著全球電池需求量的迅速增長，鋰資源開始麵臨著資源約束問題。一 方麵是鋰資源的總量分布有限，地殼豐度僅為 0.006%;另一方麵是鋰資源的空間 分布不均勻，鋰礦主要分布在澳洲、南美地區，根據美國地質勘探局 2021 年報 告，我國鋰資源儲量僅占全球 6%，且開采成本較高，現在的電池生產用鋰對外 依存度過高。同時，鋰資源約束還帶來鋰資源在動力電池和儲能電池間分配的問 題。
鋰資源的供需緊張也使得 2021 年以來，鋰資源大幅漲價，鋰電池成本持續上升。根據 wind 數據，與 2021 年 1 月 1 日價格相比，最高點 2022 年 3 月 22 日碳酸 鋰價格上漲 849%，氫氧化鋰價格上漲 883%。
2.4、鈉離子電池：與鋰電類似，但無資源約束的儲能方式
2.4.1、原理：與鋰離子電池類似
鈉離子電池與鋰離子電池的工作原理類似，為嵌脫式電池。充電時，Na+從正極 脫嵌，進入負極；放電時，Na+從負極回到正極，外電路電子從負極進入正極， 將 Na+還原為 Na。
2.4.2、優劣勢：更低的理論成本，更低的循環壽命
優勢：與鋰資源相比，鈉資源儲量非常豐富，所以在大規模應用的場景下，鈉離 子電池沒有明顯的資源約束。而且，鈉離子電池的正極材料、集流體材料的理論 成本比鋰電更低，在完成產業化降本之後，其初始投資成本有望較鋰電更低。劣勢：在電池性能上，由原理所決定的，鈉離子電池的循環壽命和儲能效率低於 鋰離子電池。鈉離子電池循環壽命提升速度較快，2018 年商業化初期鈉離子電 池循環壽命在 2000 次左右，2020 年底胡勇勝研究團隊研究出了循環壽命達到 4500 次的鈉離子電池。但是當前主流的鋰離子電池儲能，循環壽命更高，2021 年，寧德時代研製出循環壽命超過 12000 次的鋰離子電池。
2.5、液流電池：功率與容量解耦的電化學儲能方式
2.5.1、原理：依靠氧化還原液流電池進行儲能
液流電池是一種大規模高效電化學儲能裝置。區別於其他電池儲能裝置，液流電 池將反應活性物質儲存於電解質溶液中，可實現電化學反應與能量儲存場所的分 離，使得電池功率與儲能容量設計相對獨立，適合大規模蓄電儲能需求。目前典 型液流電池體係包括全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、多硫化鈉/ 溴電池等。
全釩液流電池
全釩液流電池（Vanadium Redox Battery，VRB），是一種活性物質呈循環流 動液態的氧化還原電池。通過兩個不同化合價的、被隔膜隔開的釩離子之間交換 電子來實現電能與化學能的相互轉化。釩電池充電後，正極為 V5+，負極為 V2+；放電後，正負極分別為 V4+和 V3+溶液。正極和負極之間由隔膜隔開，該隔膜隻 允許 H+通過,，H+也就起到了電池內部導電的作用。
鐵鉻液流電池
鐵鉻液流電池（Iron-chromium flow battery），是最早被提出的液流電池體係。鐵鉻電池充電後，正極為 Fe3+，負極為 Cr2+；放電後，正極為 Fe2+，負極為 Cr3+。鹽酸作為支持電解質，水為溶劑。
2.5.2、優劣勢：容量、功率獨立設計，規模易擴展，但成本較高
優勢 1：在長時儲能中，液流電池最大的優勢為輸出功率和儲能容量可分開設計。通過增加單片電池的數量和電極麵積，即可增加液流電池的功率，目前中國商業 化示範運行的釩電池的功率已達 5MW。通過增加電解液的體積或提高電解液的 濃度，即可任意增加液流電池的電量，可達百兆瓦時以上。優勢 2：循環壽命長。由於液流電池的正、負極活性物質隻分別存在於正、負極 電解液中，充放電時無其它電池常有的物相變化，可深度放電而不損傷電池，電 池使用壽命長。劣勢：成本問題是當前液流電池最大的劣勢。全釩液流電池當前的產業化進程較 快，但是麵臨著釩資源約束的問題；鐵鉻液流電池沒有明顯的資源約束問題，但 是當前產業化推進相對較慢。
全釩液流電池
根據 Y.K. Zeng 的《A comparative study of all-vanadium and iron-chromium redox flow batteries for large-scale energy storage》測算，儲能時長為 8h 的 情況下，電解液的價值量占比 53%，隔膜的價值量占比 19%，石墨氈價值量占 比 5%，泵價值量占比 4%，功率轉換係統價值量占比 12%。
鐵鉻液流電池
2019 年以來，鐵鉻液流電池商業化進程逐漸加快。2019 年，中國國家電投集團 科學技術研究院有限公司研發的首個 31.25KW 鐵鉻液流電池電堆（容和一號） 成功下線。2020 年，中國國家電投集團開發的 250KW/1.5MWh 鐵鉻液流電池 在河北省張家口市光儲示範項目中正式投產運行，是我國首個百千瓦級的鐵鉻液 流電池儲能項目。
2.6、熔鹽儲熱：光熱電站的配儲係統
2.6.1、原理：依靠熔鹽介質儲存熱能
熔鹽儲熱通過儲熱介質的溫度變化、相態變化或化學反應，實現熱能的儲存與釋 放。儲熱介質吸收電能、輻射能等能量，儲蓄在介質內，當環境溫度低於介質溫 度時，儲熱介質可將熱能釋放出來。熔鹽儲熱是大規模中高溫儲熱的主流技術方向。儲熱技術可分為顯熱儲熱、相變 儲熱和熱化學儲熱三類。目前，顯熱儲熱技術成熟度最高、價格較低、應用較為 廣泛；潛熱儲熱是研究熱點；而熱化學儲熱尚未成熟。其中，熔融鹽為常用的中 高溫顯熱儲熱介質，具備較寬的液體溫度範圍，儲熱溫差大、儲熱密度高，適合 大規模中高溫儲熱項目。
2.6.2、優劣勢：熱發電場景中的儲能介質
優勢：熔鹽作為儲熱介質，成本較低，工作狀態穩定，儲熱密度高，儲熱時間長， 適合大規模中高溫儲熱，單機可實現 100MWh 以上的儲熱容量。劣勢：能量轉換方式決定了熔鹽儲熱隻有應用在熱發電的場景下才會有經濟優 勢。熔鹽是通過儲存熱量的方式來儲存能量的，如果需要儲存的是電能，那整個 流程中需要完成“電能——熱能——電能”的轉換，效率很低。因此，熔鹽儲能 隻能應用在采用熱能發電的場景中，作為能量的存儲介質，如光熱發電、火電廠 改造等；或者應用在終端能量需求為熱能而非電能的場景，如清潔供熱。
（1）光熱發電：熔鹽儲熱將儲熱和傳熱介質合為一體，簡化電站係統組成。作 為光熱發電的配套儲能設施，熔鹽儲熱係統可提高太陽能的利用率，減少功率波 動，促進電網穩定輸出。（2）清潔供熱：熔鹽儲熱係統的熱能利用效率高，可實現餘熱、廢熱的回收利 用，為工業園區的食品加工、紡織等企業提供穩定持續的蒸汽、熱風等高品質熱 源。（3）火電廠改造：在火電廠加裝熔鹽儲熱設備，可將其改造為儲能調峰電站， 靈活輸出電力，儲熱可轉化成蒸汽為用戶供熱，提高電廠經濟效益。
3.3.1、最便宜的長時儲能：抽水蓄能、壓縮空氣、鋰離子電池儲能
在考慮充電成本情況下，抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術最為經濟，而鋰離子電池 儲能為現階段度電成本最低的電化學儲能技術，鈉離子電池和液流電池度電成本 較高。
3.3.2、壓縮空氣：效率提升至65%時，經濟性有望超過抽水蓄能
隨儲能效率提升，壓縮空氣儲能技術的度電成本將持續下降，有望超過抽水蓄能， 成為最經濟的大規模儲能技術。進行敏感性分析，初始投資成本為 1.4 元/Wh 時，假設儲能效率提升至 70%/75%/80%，考慮充電電價的度電成本可下降至 0.834/0.806/0.782 元/kWh。目前，張家口 100MW/400MWh 先進壓縮空氣儲 能係統的設計效率已達到 70.4%，後續可持續觀測其運營情況。
3.3.3、鋰離子電池：鋰價回落後，仍是比較經濟的長時儲能方案
隨產業化進程加速和原材料價格回落，鋰離子儲能初始投資成本有望逐步下降， 將提升其儲能經濟性。進行敏感性分析，儲能效率為 88%時，假設 10MW/50MWh 鋰離子電池儲能係統的初始投資成本降至 1.5/1.2/1.0(元/Wh)時，考慮充電電價 的度電成本為 1.081/0.966/0.890 元/kWh。
3.3.4、液流電池：初始投資成本和儲能效率是兩大掣肘因素
隨產業化進程加速，液流電池儲能的初始投資成本有望下降，其儲能效率逐步上 升，將進一步改善液流電池的度電成本。進行敏感性分析，儲能效率為 75%時， 假設 10MW/50MWh 液流電池儲能係統的初始投資成本降至 2.5/2.0/1.5 (元 /Wh)時，考慮充電電價的度電成本將下降為 1.293/1.132/0.971 元/kWh。
3.3.5、鈉離子電池：極致降本後，可作為比較經濟的長時儲能方案
隨產業化進程加速，鈉離子電池儲能初始投資成本有望逐步下降，大幅提升其儲 能經濟性。進行敏感性分析，儲能效率為 80%時，假設 10MW/50MWh 鈉離子 電池儲能係統的初始投資成本降至 1.6/1.3/1.0 (元/Wh)時，考慮充電電價的度電成本為 1.263/1.153/1.044 元/kWh。當初始投資成本下降至 1.3（元/Wh）時， 度電成本將低於當前鋰離子電池。
